武山铜矿全尾砂沉降浓缩试验研究_田长林.pdf

铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 179No.1 2023总第179期2023年第1期引文格式引文格式：田长林.武山铜矿全尾砂沉降浓缩试验研究 J.铜业工程,2023(01):127-131.武山铜矿全尾砂沉降浓缩试验研究田长林（江西铜业股份有限公司武山铜矿，江西 瑞昌 332204）摘要：全尾砂的沉降浓缩是全尾砂膏体充填的核心工艺，针对武山铜矿全尾砂的物化特性，开展絮凝沉降试验，确定絮凝剂的类型、絮凝剂溶液的制备浓度、尾砂浆的给料浓度和絮凝剂的添加量。结果表明：阴离子型聚丙烯酰胺（简称APAM）为最佳絮凝剂，相对分子量为1107的APAM絮凝剂最佳配比浓度为1，尾砂浆的最佳给料浓度和絮凝剂单耗分别为15%和20 g/t。当尾砂浆给料浓度为15%，APAM添加量为20 g/t时，最快沉降速度可达到1.451 cm/s。关键词：全尾砂；絮凝剂；沉降试验；给料浓度；沉降速度doi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.01.016中图分类号：TD85.34 文献标识码：A 文章编号：1009-3842（2023）01-0127-051 引言随着“绿水青山就是金山银山”的实践发展和“共抓大保护，不搞大开发”的长江经济带发展战略的实施，建设绿色矿山和无废矿山是长江一带矿产资源开发的趋势1-2。矿产资源开采带来的尾矿等固废处置与地表塌陷是限制建设绿色矿山和无废矿山的关键问题，尾矿充填可有效解决上述问题3-4。武山铜矿位于江西省瑞昌市，生产能力达6000 t/d，附近有江西省第五大天然湖泊赤湖，距离长江直线距离仅15 km。为实现绿色矿山的建设，武山铜矿于2019年开始建立全尾砂膏体充填站，并于2020年投入生产运行。尾砂沉降浓缩的效率和质量对矿山充填系统有重要影响，且选矿后的尾砂-74 m的占比高达80%，导致尾砂的沉降浓缩愈发困难。将絮凝剂添加至尾砂浆内能极大地提高尾砂的沉降速率5-9，其中絮凝剂的类型、尾砂浆的进料浓度、絮凝剂的添加量是影响尾砂浓缩的3个关键因素。通常在选择矿山尾砂的沉降浓缩工艺之前，需在实验室内开展尾砂的沉降浓缩试验，为浓缩工艺的选择和浓缩设备的选型提供依据10-14。为此，本文开展了全尾砂沉降浓缩试验，以期为武山铜矿膏体充填系统中尾砂沉降浓缩工艺和设备选型提供技术支撑。2 絮凝剂的性质和絮凝原理根据化学成分组成，絮凝剂主要分为无机盐类、微生物类、有机高分子矿物类。其中有机高分子矿物类中的聚丙烯酰胺（简称PAM）是金属矿山最常用的絮凝剂，具有如下作用：（1）絮凝作用：通过与固体颗粒表面电子进行中和，起到架桥吸附絮凝的作用；（2）黏合作用：通过物理、化学等作用，将固体颗粒黏合起来；（3）降阻作用：絮凝剂形成的絮团包裹大量水分子，在流体运动中形成滑移层，能够降低流动中的阻力；（4）增稠作用：絮凝剂通过与固体颗粒进行电中和，形成絮团等网状结构包裹大量水分子，起到增稠的作用。固体颗粒表面的电位、料浆的pH值、料浆的质量浓度均会影响PAM的絮凝作用。料浆中固体颗粒表面带有相同的动电位，因互斥作用导致固体颗粒不能凝聚，因此PAM絮凝原理就是在料浆中加入与固体颗粒表面动电位相反的絮凝剂，降低颗粒表面的动电位使固体颗粒凝聚进而加速其沉降。PAM絮凝作用的产生，是其分子结构呈长链（线）状和分子中含有大量活性基团，并通过与沉淀微粒产生很多连接，形成较大的絮凝物，从而收稿日期：2022-06-15；修订日期：2023-01-04作者简介：田长林（1980），男，江西瑞昌人，大专，工程师，研究方向：矿山充填，E-mail：127总第179期铜业工程Total 179加速沉降。絮凝沉降如图1所示，图中I阶段为絮凝剂的添加量较低时，存在未被链条“网住”的尾砂细颗粒；II阶段为絮凝剂的添加量适中时，尾砂颗粒全部参与絮凝体的网状结构；III阶段为絮凝剂的添加量较高时，絮凝体内部存在大量絮团水，不仅降低了粗颗粒尾砂带动沉降效果，而且降低了沉降浓缩后的底流浓度。3 试验3.1试验材料在武山铜矿选矿厂磨浮车间构筑取砂池，待全尾砂浆沉淀后去除上覆澄清水，并将全尾砂浆自然风干后拌均匀。根据 土工试验方法标准（GB/T 501231999）15中比重瓶法测得全尾砂的相对密度为2.97 g/cm3。通过采用滴定法、ICP等方法测试全尾砂的化学元素组成，结果如表1所示。采用四分法选取具有代表性的全尾砂试样，应用激光粒度分析仪测试全尾砂的颗粒粒径。结果表明：武山铜矿全尾砂-74 m尾砂颗粒占比为66.49%，-37 m尾砂颗粒占比为40.93%，尾砂的不均匀系数Cu为14.56，曲率系数Cc为2.53，属于级配连续但不均匀的全尾砂，结果见图2。本试验所用絮凝剂类型包括PAM和聚合氯化铝（PAC），其中PAM分非离子型（NPAM）、阳离子型（CPAM）和阴离子型（APAM）。3.2试验方案絮凝沉降浓缩试验主要包括三个部分：（1）絮凝剂选型试验：选择PAC、相对分子量为 1107的 APAM、相 对 分 子 量 为 1.2107的CPAM、相对分子量为 1.2107的 NPAM 四种絮凝剂，除PAC制成3%的絮凝剂溶液之外，其他三种制成0.1%的絮凝剂溶液，按照尾砂浆给料浓度为20%和絮凝剂添加量为30 g/t开展沉降试验；（2）絮凝剂最佳配比浓度试验：确定絮凝剂型号 后，配 置 浓 度 分 别 为 0.5，0.75，1，1.25，1.5的絮凝剂溶液，按照尾砂浆给料浓度20%和絮凝剂添加量30 g/t开展沉降试验；图1絮凝沉降原理Fig.1Principle of flocculation settlement表1全尾砂的化学成分Table 1Chemical composition of whole tailing元素含量/%CaO15.68SiO233.023Al2.56Mg1.82Fe10.37Mn0.085F0.086K0.37P0.049Cu0.065图2全尾砂的颗粒粒径分布曲线Fig.2Particle size distribution of unclassified tailings（3）最佳给料浓度和絮凝剂添加量试验：确定絮凝剂型号及其最佳配比浓度后，配置质量浓度分别为 10%，15%，20%，25%，30%，35%的尾砂浆，絮凝添加量分别为0，10，20，30，40，50 g/t，开展絮凝沉降实验。4 试验结果与分析4.1絮凝剂选型试验按照尾砂浆给料浓度为20%和絮凝剂添加量为30 g/t开展沉降试验，对比分析沉降时间为15 s和15 min时不同类型絮凝剂的沉降效果。试验结果表明添加NPAM和PAC与无絮凝剂的沉降效果无较大差别，APAM和CPAM具有较明显的沉降效果，其中APAM的沉降效果优于CPAM。当沉降时间为15 s时，添加APAM的沉降量筒出现了清晰的固液分离界面，添加CPAM的沉降量筒效果次之，添加NPAM和PAC以及无絮凝剂的量筒无明显沉降；当沉降15 min时，添加APAM和CPAM的沉降量筒内尾砂浆已沉降结束，而添加 NPAM 和 PAC以及无絮凝剂的量筒内尾砂还处于沉降过程中，且表现出NPAM的沉降效果优于PAC和无絮凝剂。因此，选用相对分子量为1107的APAM絮凝剂进行后续实验。4.2絮凝剂最佳配比浓度试验由图3可知，添加APAM絮凝剂后全尾砂浆的颗粒沉降速率迅速增加，3 min 内已基本完成沉降，且随着时间的延长，沉降速率不断降低，以15 s内沉降速率最大，可达到 0.651 cm/s，30 s后沉降速率快速下降，其中13 min的沉降速率降至15 s时的10%20%，3 min时沉降速率降至0.01 cm/s以下。在相同的APAM添加量条件下，全尾砂浆的沉降速率受APAM的溶液配比浓度的影响，但影响不明显。当APAM溶液的配比浓度为1.00时，尾砂沉降速率最快，沉降速率可达到0.546 cm/s。综合比较工艺和成本，推荐APAM溶液的最佳配比浓度为1.00。4.3最佳给料浓度和絮凝剂添加量影响试验图 4为尾砂浆的给料浓度分别为 10%，15%，20%，25%，30%和35%时，不同絮凝剂添加量下的絮凝沉降曲线。试验结果表明：当给料浓度为10%时，添加不同单耗的 APAM 后，全尾砂浆在15 s 内即完成主要沉降过程，最快沉降速度达1.798 cm/s；单耗为20 g/t时，全尾砂浆沉降速度最快，上层清液澄清度也较高，继续增大APAM添加量，沉降效果没有明显改善，沉降速度反而略有降低，因此 APAM 最佳单耗为 20 g/t。类似地，当给料浓度为 15%时，最快沉降速度为 1.451 cm/s，APAM 最佳单耗为 20 g/t；当给料浓度为 20%时，最快沉降速度为1.252 cm/s，APAM最佳单耗为30 g/t；当给料浓度为25%时，最快沉降速度为1.109 cm/s，APAM 最佳单耗为 30 g/t；当给料浓度为 30%时，最快沉降速度为0.953 cm/s，APAM最佳单耗为50 g/t；当给料浓度为35%时，最快沉降速度为0.382 cm/s，APAM最佳单耗为50 g/t。图3絮凝剂配比浓度对沉降速率的影响（a）沉降高度变化曲线；（b）沉降速率变化曲线Fig.3Effect of flocculant ratio concentration on sedimentation rate（a）Settlement height variation curve；（b）Settlement rate variation curve128田长林武山铜矿全尾砂沉降浓缩试验研究2023年第1期（3）最佳给料浓度和絮凝剂添加量试验：确定絮凝剂型号及其最佳配比浓度后，配置质量浓度分别为 10%，15%，20%，25%，30%，35%的尾砂浆，絮凝添加量分别为0，10，20，30，40，50 g/t，开展絮凝沉降实验。4 试验结果与分析4.1絮凝剂选型试验按照尾砂浆给料浓度为20%和絮凝剂添加量为30 g/t开展沉降试验，对比分析沉降时间为15 s和15 min时不同类型絮凝剂的沉降效果。试验结果表明添加NPAM和PAC与无絮凝剂的沉降效果无较大差别，APAM和CPAM具有较明显的沉降效果，其中APAM的沉降效果优于CPAM。当沉降时间为15 s时，添加APAM的沉降量筒出现了清晰的固液分离界面，添加CPAM的沉降量筒效果次之，添加NPAM和PAC以及无絮凝剂的量筒无明显沉降；当沉降15 min时，添加APAM和CPAM的沉降量筒内尾砂浆已沉降结束，而添加 NPAM 和 PAC以及无絮凝剂的量筒内尾砂还处于沉降过程中，且表现出NPAM的沉降效果优于PAC和无絮凝剂。因此，选用相对分子量为1107的APAM絮凝剂进行后续实验。4.2絮凝剂最佳配比浓度试验由图3可知，添加APAM絮凝剂后全尾砂浆的颗粒沉降速率迅速增加，3 min 内已基本完成沉降，且随着时间的延长，沉降速率不断降低，以15 s内沉降速率最大，可达到 0.651 cm/s，30 s后沉降速率快速下降，其中13 min的沉降速率降至15 s时的10%20%，3 min时沉降速率降至0.01 cm/s以下。在相同的APAM添加量条件下，全尾砂浆的沉降速率受APAM的溶液配比浓度的影响，但影响不明显。当APAM溶液的配比浓度为1.00时，尾砂沉降速率最快，沉降速率可达到0.546 cm/s。综合比较工艺和成本，推荐APAM溶液的最佳配比浓度为1.00。4.3最佳给料浓度和絮凝剂添加量影响试验图 4为尾砂浆的给料浓度分别为 10%，15%，20%，25%，30%和35%时，不同絮凝剂添加量下的絮凝沉降曲线。试验结果表明：当给料浓度为10%时，添加不同单耗的 APAM 后，全尾砂浆在15 s 内即完成主要沉降过程，最快沉降速度达1.798 cm/s；单耗为20 g/t时，全尾砂浆沉降速度最快，上层清液澄清度也较高，继续增大APAM添加量，沉降效果没有明显改善，沉降速度反而略有降低，因此 APAM 最佳单耗为